2.1 Выбор микропроцессора.

Из всего многообразия выпускаемых промышленностью технических средств выберем микропроцессорное программируемое цикловое устройство (МЦПУ), предназначенное для циклового двухпозиционного управления манипуляторами и технологическим оборудованием, так как особенностью наиболее эффективного применения МПЦУ является управление автоматическими линиями при автоматизации технологических процессов. В нашей системе автоматизируется процесс регулирования положение ковша , и по выполняемым функциям МПЦУ как нельзя лучше подходит к исследуемой САУ

МПЦУ рассчитано на эксплуатацию в закрытом помещении при температуре от +5 до +40⁰С, относительной влажности воздуха от 40 до 80%, при 25⁰С и атмосферном давлении от 83,5 до 106 кПа (от 630 до 800 мм ртутного столба).

Технические характеристики МПЦУ:

МПЦУ изготовлено в соответствии с ТУ 37.002.0423-87 и комплектом КД 64.10.002.00.00.000 и по устойчивости к климатическим воздействиям должно соответствовать исполнению группы 5 по ГОСП 21552-84.

Тип управления: цикловой, программно логический.

Программируемые функции:

управление выходами на исполнительные устройства,

1. прием информации, поступающей от датчиков состояния оборудования,

2. формирование выдержек времени,

3. обращение к программам,

4. организация условных и безусловных переходов по программе.

Режим работы:

1) под управлением программы, записанной в память рабочих программ (автоматическое управление),

2) пошаговое выполнение программы,

3) запись команд в память рабочих программ (программирование),

5. просмотр программы (вывод на индикацию содержимого памяти рабочих программ).

Ввод и отладка программ, управление режимами работы с клавиатуры встроенного пульта управления. Отображение информации на однострочном дисплее и светодиодных индикаторах пульта управления. [1, стр. 4]

Число клавиш для ввода информации……………………………………….17

Тактовая частота, МГц……………………………………………………….1,8

Система счисления при вводе информации с клавиатуры пульта управления и вывода ее на дисплей………………………………………...16-ричная

Период дискретности, с………………………………………………………..8

Наработка на отказ, ч……………………………………………не менее 5000

Средний срок службы до списания, лет…………………………..не менее 10

Среднее время восстановления,ч…………………………………не более 0,5

Напряжение питающей сети, В………………………………………………12

Габаритные размеры, мм не более

Длина………………………………………………………………………..483

Ширина……………………………………………………………………...387

Высота………………………………………………………………………202

Масса, кг…………………………………………………………….не более 18

2.2 Выбор рычага управления

Подберем трехпозиционный рычаг управления модели EX120 созданный фирмойHitachiKenty(Япония) применяемый в одноковшовых экскаваторах.

Передаточная функция такого рычага управления имеет вид: [2, стр.287]

(1)

где k_p – передаточный коэффициент рычага управления, определяемый следующим образом: [2, стр.287]

(2)

где L1-длина верхней части рычага, мм,

L2-длина нижней части рычага, мм.

В нашем случае L1=110 мм, L2=570 мм [2, табл. 15.2, стр.289],

(3)

Таким образом, передаточная функция рычага управления примет вид:

(4)

2.3 Выбор электромагнитного клапана

Исходя из условий работы, выберем электромагнитный клапан РП 5, соответствующий классу защиты 5.

Его параметры: [6, стр.35]

Максимальное напряжение на обмотке U_max, В…………………………………...11,5

Нагрузка на обмотке P_н, Вт…………………………………………………………….1

Максимальная частота работы , Гц……………………………………………….200

Вес якоря, гр………………………………………………………………..не более 4,7

Вес реле, гр………………………………………………………………...не более 140

Передаточная функция такого реле имеет вид: [6, стр.38]

(5)

где c = 1,2

x₀ = 0,6

k = 0,84

A  c+|x₀|=5,8

Тогда,

(6)

2.4. Выбор силового агрегата

Остановим свой выбор на механопневматическом силовом агрегате со следующими технические характеристики: [8, стр,283]

Номинальный объем ковша ,м³……………………………………………………...1,5

Высота разгрузки, мм …………………………………………….……………….2750

Вылет кромки ковша, мм …………………….…………………………………….900

Ширина режущей кромки ковша, мм…..………………ширина следа машины+100

Максимальный угол запрокидывания ковша, град………………………не менее 40

Угол разгрузки ковша при максимальном подъеме, град………………..не менее50

Разность между max. иmin. углом запрокидывания ковша, град………не менее15

Передаточная функция такого силового агрегата имеет вид:

, [3, стр.94] (7)

где , к = 6с^-1

тогда (8)

2.5 Выбор датчика давления

Среди микроэлектронных датчиков давления наибольшее распространение получили датчики, основанные на тензорезисторном эффекте, состоящем в изменении сопротивления материала в функции механического напряжения. Для нашей САУ подходит толстопленочный датчик давления на керамике.

Основные технические характеристики: [5, стр,125]

Рабочее давление, КПа 0-100

Выходное напряжение при давлении

0 КПа 0,5мВ

88 КПа 5мВ

Колебание выходного сигнала ,  0,15

Эквивалентное сопротивление по цепи питания ,кОм 2

Температура окружающей среды

Рабочая -40 +85

Предельная -60  +125

Передаточная функция такой датчика давления имеет вид:

, (9)

где Кд – передаточный коэффициент керамической мембраны

Кд=0,05/р

Таким образом передаточная функция датчика давления примет вид:

(10)

U_y

K_p

K_k

K_c

U_y

1

0,19

2,33

6/0,6р+1

K_d

0,05/р

Рисунок 2- Структурная схема системы автоматического управления движением стрелы экскаватора.

3 РАСЧЕТ СИСТЕМЫ НА УСТОЙЧИВОСТЬ. РАСЧЕТ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ СИСТЕМЫ. ПРОВЕДЕНИЕ Z-ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Подставим в функциональную схему исследуемой локальной системы определенные во втором этапе передаточные функции каждого элемента, тогда получим следующую структурную схему (рисунок 2).

Рассчитаем передаточную функцию замкнутой системы с помощью программы MathCAD 8.1 Professional

Wc=6,14/50p²+5p+1) (11)

Проведем z-преобразования

_{W (z)= [k(e}^Tp/T_{- e-}^Tp/T _{)/T1-T2 ]*[z/(z-e}^Tp/T _)(z-e^-Tp/T _{) ]}

_=[0,1492(e^-0,0692_-e^-0,15789 _{)/0,1382]*[z/(z-e}^-0,00692 _)(z-e^-0,15879 _{) ] (12)}

Для получения переходной функции умножим изображение переходной характеристики на фиксатор нулевого порядка z-1/z

₍₁₃₎

Определим устойчивость системы по критерию Шур-Кона.

Так как характеристическое уравнение первого порядка, то записывается первый определитель

Подставляем числовые значения и, проводя математические операции, получаем

(14)

Вывод: система устойчива, так как нечётный определитель отрицателен.

(15)

4 ДЕЛЕНИЕ СИСТЕМЫ НА ИЗМЕНЯЕМУЮ И НА НЕИЗМЕНЯЕМУЮ ЧАСТИ. ПОСТРОЕНИЕ ЛАЧХ НЕИЗМЕНЯЕМОЙ ЧАСТИ. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННОЙ ЛАЧХ

Любую ЛСА можно разделить на изменяемую и неизменяемую части. Для разделения исследуемой САУ на изменяемую и неизменяемую части, рассмотрим каждый элемент этой системы отдельно и проанализируем, можно ли без ущерба для работы системы заменить этот элемент на подобный.

1. Микропроцессор

Микропроцессор принято относить к изменяемой части, если он используется в качестве сравнивающего устройства и других функций не выполняет. В нашем случае микропроцессор принимает непосредственное участие в процессе управления: он играет роль задатчика, сравнивающего устройства и корректирующего устройства. При замене микропроцессора управление системой в корне изменится. Поэтому сделаем вывод, что микропроцессор в исходной системе относится к неизменяемой части.

2. Рычаг управления

Рычаг управления является одним из основных звеньев системы. Он имеет сложную передаточную функцию, о его замене на подобный не может быть и речи. Таким образом рычаг управления однозначно относится к неизменяемой части САУ.

3. Силовой агрегат

Существует большое количество разнообразных силовых агрегатов, отличающихся не только внешним видом, конструкцией, принципом действия, но и передаточными функциями. Если заменить выбранный силовой агрегат данной локальной системы на какой-нибудь другой, то прохождение сигнала в системе претерпит существенные изменения. Следовательно, силовой агрегат тоже отнесем к неизменяемой части.

4. Датчик давления

Существует большое количество различных датчиков давления. Передаточные функции их различны. Замена вызовет изменение сигнала в системе, в результате работа САУ примет иной характер. Таким образом, датчик давления следует отнести к неизменяемой части.

5. Электромагнитный клапан

Существует огромное количество различных клапанов имеющих различный принцип действия. Их передаточные функции их различны. Замена электромагнитного клапана на какой-либо другой вызовет изменение сигнала в системе, в результате работа САУ примет иной характер. Таким образом, клапан следует отнести к неизменяемой части.

Итак, после проведения анализа каждого элемента САУ выдвижением стрелы экскаватора получили, что устройств, которые можно отнести к изменяемой части нет.

Передаточную функцию неизменяемой части рассчитаем с помощью программы MathCAD 8.1 Professional

_{Wнч (z)= [k(e}^Tp/T_{- e-}^Tp/T _{)/T1-T2 ]*[z/(z-e}^Tp/T _)(z-e^-Tp/T _{) ]}

_=[0,1492(e^-0,0692_-e^-0,15789 _{)/0,1382]*[z/(z-e}^-0,00692 _)(z-e^-0,15879 _{) ] (16)}

ЛАЧХ строится в логарифмическом масштабе, причем ЛАХ неизменяемой части определяется передаточной функцией (11) всей системы:

Для построения будем использовать геометрический метод построения, так как исследуемая система не является управляющей, а является регистрирующей. Это можно сказать исходя из того, что микропроцессор выдает информацию на дисплей оператора а тот в свою очередь производит управление машиной.

ЛАЧХ неизменяемой части примет вид колебательного звена:

L_{н( w)}={20lgk,w <=w_0,

{20lgk-40lgw, w<=w₀ (17)

Определим частоту излома ЛАЧХ неизменяемой части:

W₀=1/T=0,14 с^-1

Из (17) следует. Что при w<w₀ график L_Н(w) имеет наклон 0дб/дек, а в точке w=w₀ изменяет наклон на –40дб/дек.

5. ПОСТРОЕНИЕ ЖЕЛАЕМЫХ ЛАЧХ И ФЧХ. АНАЛИЗ ЖЕЛАЕМОЙ ФЧХ.

_{Рассматриваемая САУ является колебательным звеном, следовательно, имеет время регулирования порядка нескольких секунд, а также большое перерегулирование =40-50 .(для механических систем) [8,стр. 622]}

_{5.1 Построение желаемой ЛАЧХ.}

_{Для построения желаемой ЛАЧХ системы зададим ошибки:}

_{0=0,015=1,5 - статическая,}

_{1=0,014=1,4 - скоростная,}

_{0=0,015=1,5 - ошибка по ускорению.}

_{Коэффициент усиления Кj и добротности желаемой системы Dw и Da}